大石峽水利樞紐工程BIM+GIS平臺(tái)建設(shè)

李 夢(mèng),孫 陽(yáng)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

隨著新一代信息技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化賦能已成為水利水電工程科技創(chuàng)新的重要手段。借助水利水電工程建設(shè)與前沿技術(shù)的融合，不斷探索數(shù)字化、智慧化水利工程建設(shè)成為大勢(shì)所趨。BIM(Building Information Modeling)是通過(guò)構(gòu)造數(shù)字化模型在工程建設(shè)全壽命階段進(jìn)行管理和優(yōu)化的技術(shù)手段，具有視圖生成、數(shù)據(jù)全面豐富、面向?qū)ο蟮忍攸c(diǎn)[1]。地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)是一種地理空間有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)，可通過(guò)傾斜攝影測(cè)量實(shí)現(xiàn)多視立體覆蓋，能快速構(gòu)建出真實(shí)、直觀的實(shí)景模型，滿足工程三維設(shè)計(jì)對(duì)地形地貌信息的需求[2]。

BIM多維度擴(kuò)展應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分就是BIM和三維GIS的融合使用[3]。R.deLaat基于CityGML協(xié)議擴(kuò)展了GeoBIM，實(shí)現(xiàn)了IFC的數(shù)據(jù)信息到GIS場(chǎng)景的轉(zhuǎn)換；謝溫祥[4]通過(guò)技術(shù)探索將BIM模型與GIS資源數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了BIM和地理信息數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合，完成了BIM+GIS的基礎(chǔ)應(yīng)用功能建設(shè)；嚴(yán)沾謀[5]等人基于BIM+GIS結(jié)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了工程設(shè)計(jì)與出圖，并完成水利項(xiàng)目數(shù)字化移交應(yīng)用；部分學(xué)者也探索了BIM+GIS應(yīng)用在信息化方面的價(jià)值，丁維馨[6]等人，將三維GIS、BIM模型、三維實(shí)景模型、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了水利工程三維模型、水利工程監(jiān)測(cè)信息展示和分析統(tǒng)計(jì);唐崗[7]通過(guò)將地理信息數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)、勘測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)等信息集成到一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)了洋溪水利樞紐工程的信息化管理。雖然近年來(lái)在BIM+GIS的應(yīng)用方面取得了一定程度的研究成果，但多為設(shè)計(jì)成果的展示或在施工過(guò)程中局部的應(yīng)用，尚未能夠全面地將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用至工程施工過(guò)程中，本文將BIM及GIS技術(shù)應(yīng)用至大石峽水利樞紐智慧工程各業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，構(gòu)建一個(gè)可視的水利工程數(shù)字化平臺(tái)為工程建設(shè)全過(guò)程提供數(shù)據(jù)支撐及平臺(tái)保障。

1 項(xiàng)目背景

新疆大石峽水利樞紐工程作為國(guó)家172項(xiàng)節(jié)水供水重大水利工程之一，是踐行“一帶一路”倡議、造福邊疆地區(qū)、增進(jìn)民族團(tuán)結(jié)的重大水利壯舉，具有工程規(guī)模大、建設(shè)周期長(zhǎng)、工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜、施工區(qū)域氣候環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。為了推進(jìn)工程智慧化、數(shù)字化建設(shè)，全面提升智慧工程應(yīng)用水平，為工程長(zhǎng)效安全運(yùn)行與智慧管控提供科學(xué)保障，在傳統(tǒng)施工建設(shè)的基礎(chǔ)上開(kāi)展了多個(gè)智能建設(shè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用，同時(shí)也暴露出各業(yè)務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可視化程度低、數(shù)據(jù)共享不暢通等難題，因此需要建設(shè)一個(gè)數(shù)據(jù)互通的數(shù)字化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工程各參建方的互聯(lián)互通和協(xié)同共享。

2 平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)理念

平臺(tái)以BIM+GIS技術(shù)集成應(yīng)用為支撐，以模型數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一為主線，搭建“平臺(tái)+數(shù)據(jù)+應(yīng)用+接口”的功能框架，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)數(shù)字化，項(xiàng)目管控可視化，形成了各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)互通、協(xié)同共享的工作機(jī)制。

2.2 平臺(tái)架構(gòu)

基于BIM+GIS技術(shù)的數(shù)字化平臺(tái)依據(jù)大石峽水利樞紐工程建設(shè)階段各應(yīng)用需求進(jìn)行規(guī)劃，按照數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)層與業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，完善以模型數(shù)據(jù)為核心的運(yùn)行體系，建立以項(xiàng)目工程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、模型平臺(tái)數(shù)據(jù)交換為手段、項(xiàng)目應(yīng)用層管控的平臺(tái)整體架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、進(jìn)度、成本及安全的統(tǒng)籌優(yōu)化和綜合應(yīng)用。

數(shù)據(jù)資源層提供結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)的持久化及查詢檢索服務(wù)，含項(xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，BIM模型文件、GIS資源文件、各階段屬性數(shù)據(jù)及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)接口上傳的施工數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)等；服務(wù)層包括底層支撐和數(shù)據(jù)服務(wù)，底層支撐提供底層技術(shù)支撐，包含BIM+GIS引擎、消息服務(wù)引擎等，數(shù)據(jù)服務(wù)提供DEM/DOM數(shù)據(jù)服務(wù)、BIM數(shù)據(jù)服務(wù)和矢量數(shù)據(jù)服務(wù)等；業(yè)務(wù)應(yīng)用層是呈現(xiàn)給用戶的平臺(tái)界面，包含BIM中心應(yīng)用及相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。BIM+GIS平臺(tái)架構(gòu)見(jiàn)圖1。

3 平臺(tái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)

3.1 建設(shè)思路

為保證大石峽水利樞紐BIM+GIS平臺(tái)建設(shè)相關(guān)設(shè)備設(shè)施的空間、屬性及文檔資料的統(tǒng)一、有效管理，建立一個(gè)高效率、低冗余的平臺(tái)數(shù)據(jù)中心是首要考慮的，這也關(guān)系到相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢、更新與維護(hù)等工作。數(shù)據(jù)中心建設(shè)既要充分體現(xiàn)平臺(tái)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有資源合理配置軟硬件，又須根據(jù)后續(xù)業(yè)務(wù)需求不斷進(jìn)行平滑升級(jí)，在確保數(shù)據(jù)安全性設(shè)計(jì)的前提下，建立一個(gè)完整統(tǒng)一的平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)考慮到存儲(chǔ)與管理數(shù)據(jù)的多源性特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理，針對(duì)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)，制定一套統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范有序管理，最后達(dá)到多源數(shù)據(jù)融合與信息共享的目的。

3.2 數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心架構(gòu)包括數(shù)據(jù)接入、處理、存儲(chǔ)和管理等層級(jí)，共同搭建起一個(gè)統(tǒng)一的工程信息數(shù)據(jù)集群，也是將各業(yè)務(wù)板塊有機(jī)融為一體的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。以工程模型的空間對(duì)象統(tǒng)一編碼、數(shù)據(jù)統(tǒng)一配置管理、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一規(guī)劃為原則，建立并維護(hù)各類信息數(shù)據(jù)以及之間的關(guān)系，并為各業(yè)務(wù)應(yīng)用單元提供統(tǒng)一、有序、全面的數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。平臺(tái)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

3.3 數(shù)據(jù)管理

BIM+GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)中心建設(shè)管理包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理輸出等部分[8]。

(1) 數(shù)據(jù)接入

基于數(shù)據(jù)模板建立并維護(hù)各類信息數(shù)據(jù)及相互關(guān)系，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)[9]。靜態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包括三維信息模型、項(xiàng)目位置分解數(shù)據(jù)、工程檔案、建筑物構(gòu)件及設(shè)備對(duì)象數(shù)據(jù)等。為各類數(shù)據(jù)預(yù)留手動(dòng)填報(bào)上傳界面或者批量導(dǎo)入工具；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)包括大石峽水利樞紐智慧建設(shè)系統(tǒng)方的數(shù)據(jù)，如灌漿系統(tǒng)、智能碾壓系統(tǒng)等數(shù)據(jù)。

圖1 BIM+GIS平臺(tái)架構(gòu)

圖2 平臺(tái)數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計(jì)

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

通過(guò)選取業(yè)界主流的數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足大容量存儲(chǔ)、高安全性、易維護(hù)性和持續(xù)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的要求。同時(shí)提供支持多種文件類型，支持?jǐn)?shù)據(jù)集中存儲(chǔ)、統(tǒng)一管理[10]，能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查及支持?jǐn)?shù)據(jù)變更管理和版本管理。

(3) 數(shù)據(jù)處理

BIM+GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)中心后臺(tái)采用JAVA語(yǔ)言、利用成熟的開(kāi)源工作流引擎、報(bào)表引擎、安全權(quán)限框架、文件文檔服務(wù)、流媒體服務(wù)、BIM三維引擎服務(wù)、GIS服務(wù)等，搭建整體系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)挖掘、各類實(shí)時(shí)信息計(jì)算等處理，對(duì)三維模型數(shù)據(jù)，先轉(zhuǎn)為平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)BIM格式。其中部分引擎服務(wù)將根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的編程語(yǔ)言。

(4) 數(shù)據(jù)管理輸出

BIM+GIS平臺(tái)前端采用HTML5、WEBGL等技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行多維度展示，包括三維模型和各類文檔在網(wǎng)頁(yè)端的瀏覽查詢、可視化展示、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)管理。提供BIM+GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)了龐大數(shù)據(jù)體量的快速訪問(wèn)，對(duì)外支持業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)訪問(wèn)需求，對(duì)內(nèi)支持工程建設(shè)與決策平臺(tái)數(shù)據(jù)使用要求。

4 平臺(tái)功能實(shí)現(xiàn)

4.1 基礎(chǔ)功能

通過(guò)建立大石峽水利樞紐工程GIS與BIM模型的虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)相關(guān)集模型、屬性、場(chǎng)景的三維展示。平臺(tái)基礎(chǔ)功能主要包括BIM+GIS“一張圖”、BIM模型展示、GIS展示、文檔關(guān)聯(lián)查詢。

(1) BIM+GIS“一張圖”：通過(guò)在三維GIS上疊加BIM模型，對(duì)工程區(qū)域場(chǎng)景分級(jí)加載或一次性加載，并通過(guò)GIS上面點(diǎn)擊某個(gè)位置的BIM模型無(wú)縫啟動(dòng)BIM瀏覽器，進(jìn)行相應(yīng)BIM方案的查看。

(2) BIM模型展示：實(shí)現(xiàn)BIM場(chǎng)景中的模型操作功能，如縮放、平移、測(cè)量、批注、視圖記錄、漫游等。BIM窗口下可顯示子模型結(jié)構(gòu)樹(shù)，能夠查詢構(gòu)件的屬性數(shù)據(jù)，添加構(gòu)件的自定義屬性，BIM模型展示見(jiàn)圖3。

圖3 BIM模型展示

(3) GIS展示：實(shí)現(xiàn)將GIS公共數(shù)據(jù)、GIS私有數(shù)據(jù)、BIM輕量化模型數(shù)據(jù)等組織成GIS圖層索引樹(shù)，用戶可在索引樹(shù)中勾選數(shù)據(jù)內(nèi)容，在GIS場(chǎng)景中疊加查看。三維GIS場(chǎng)景提供視圖的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放操作，以及對(duì)象的顯示、隱藏、剖切、漫游等，GIS展示見(jiàn)圖4。

圖4 GIS展示

(4) 文檔關(guān)聯(lián)查詢：通過(guò)構(gòu)件ID與文檔ID綁定，實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)上傳的文檔與模型構(gòu)件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并可以雙向操作實(shí)現(xiàn)通過(guò)文檔查找對(duì)應(yīng)構(gòu)件，或通過(guò)構(gòu)件查找對(duì)應(yīng)文檔。

4.2 管理功能

通過(guò)建立工程數(shù)據(jù)管理目錄，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌管理，并將所有數(shù)據(jù)均與BIM模型關(guān)聯(lián)管理。提供基于BIM模型的工程全過(guò)程數(shù)據(jù)管理，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)以下功能：

(1) 基礎(chǔ)信息管理：根據(jù)實(shí)際工程概況對(duì)項(xiàng)目基礎(chǔ)信息(包括項(xiàng)目名稱、類別、簡(jiǎn)介、參建單位等)進(jìn)行配置管理。

(2) 模型管理：提供項(xiàng)目模型文件結(jié)構(gòu)書(shū)的管理功能，用戶可按項(xiàng)目劃分、專業(yè)等層級(jí)建立模型文件目錄，并在目錄中上傳輕量化模型。

(3) 文件管理：提供項(xiàng)目資料文件管理功能，用戶可按項(xiàng)目需求建立資料文件夾目錄，并在文件夾目錄中上傳文件數(shù)據(jù)。

(4) 版本管理：對(duì)錄入系統(tǒng)中的二、三維數(shù)據(jù)信息進(jìn)行版本管理，可追溯歷史版本、變更時(shí)間、變更人等信息，系統(tǒng)默認(rèn)呈現(xiàn)給用戶的是最新版本信息數(shù)據(jù)。

(5) 權(quán)限管理：實(shí)現(xiàn)平臺(tái)組織結(jié)構(gòu)、人員、角色、權(quán)限信息管理，以及用戶訪問(wèn)或者操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)和應(yīng)用功能的授權(quán)管理。

4.3 接口功能

BIM+GIS平臺(tái)除了為自身用戶提供服務(wù)外，同時(shí)通過(guò)開(kāi)放性接口為外部系統(tǒng)提供服務(wù)。每個(gè)外部系統(tǒng)具有專有的AppKey及AppSecret，平臺(tái)可控制每個(gè)外部系統(tǒng)的接口權(quán)限，具體服務(wù)包含：

(1) 數(shù)據(jù)查詢：通過(guò)數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，外部系統(tǒng)可從平臺(tái)獲取項(xiàng)目BIM模型文件、GIS資源數(shù)據(jù)、模型構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)等平臺(tái)數(shù)據(jù)。

(2) 數(shù)據(jù)上傳：通過(guò)數(shù)據(jù)上傳服務(wù)，外部系統(tǒng)可按照業(yè)務(wù)規(guī)則組織業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上傳至平臺(tái)[11]。

(3) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：按照業(yè)務(wù)規(guī)則定義數(shù)據(jù)協(xié)議，對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供MQ接入服務(wù)，實(shí)現(xiàn)所有系統(tǒng)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的即時(shí)傳輸共享。

(4) 模型處理：提供專用模型動(dòng)態(tài)處理服務(wù)，由各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)放服務(wù)發(fā)起請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的模型動(dòng)態(tài)切割并返回結(jié)果等功能。

4.4 應(yīng)用展示

基于BIM+GIS的水利工程數(shù)字化平臺(tái)在工程項(xiàng)目中應(yīng)用效果良好，基于平臺(tái)用戶的實(shí)際需求定位，綜合系統(tǒng)整體的性能、可靠、安全、便捷等各方面因素，打造一個(gè)統(tǒng)一傳輸?shù)母甙踩?、高效率、易用平臺(tái)。以BIM輕量化模型為信息載體，以數(shù)據(jù)信息對(duì)象編碼為紐帶，開(kāi)展全過(guò)程數(shù)字化移交，形成基于一套模型、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化數(shù)模成果管理系統(tǒng)，構(gòu)建了數(shù)據(jù)全面、組織有序、服務(wù)于工程全生命周期的數(shù)據(jù)中心，大石峽BIM+GIS平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理界面見(jiàn)圖5。

平臺(tái)應(yīng)用方式包含網(wǎng)頁(yè)端和移動(dòng)端兩種，以網(wǎng)頁(yè)端應(yīng)用為主，主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)所有模型瀏覽、GIS展示、關(guān)聯(lián)文檔查詢、模型管理、資料錄入、系統(tǒng)維護(hù)等功能；移動(dòng)端主要實(shí)現(xiàn)平臺(tái)文檔和數(shù)據(jù)快速瀏覽、查詢等功能，大石峽BIM+GIS平臺(tái)主界面見(jiàn)圖6。

圖5 大石峽BIM+GIS平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理界面

圖6 大石峽BIM+GIS平臺(tái)設(shè)計(jì)主界面

5 結(jié) 論

本文以大石峽水利樞紐工程為背景，研究構(gòu)建了一個(gè)可視的水利工程數(shù)字化平臺(tái)，展現(xiàn)了BIM+GIS技術(shù)在水利工程智慧化管理方面的實(shí)施思路和應(yīng)用效果，結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)利用BIM+GIS技術(shù)，以模型為載體，以數(shù)據(jù)信息對(duì)象為紐帶，將BIM模型與各類工程建設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成基于一個(gè)模型、一套數(shù)據(jù)、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的可視化系統(tǒng)平臺(tái)。

(2) 大石峽BIM+GIS平臺(tái)發(fā)揮了BIM的最大價(jià)值。隨著工程施工的推進(jìn)，持續(xù)動(dòng)態(tài)更新BIM模型及相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

(3) 作為模型數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)籌各業(yè)務(wù)單元應(yīng)用數(shù)據(jù)，消除數(shù)據(jù)孤島。依據(jù)施工任務(wù)對(duì)設(shè)計(jì)移交BIM模型進(jìn)行深化分解，為建設(shè)期各相關(guān)智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

大石峽BIM+GIS平臺(tái)將作為智慧工程管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)大石峽工程在建設(shè)過(guò)程中基于BIM+GIS技術(shù)的工程設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)行的全過(guò)程精益化管理，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、進(jìn)度、成本及安全的統(tǒng)籌優(yōu)化，助力打造新時(shí)代的智慧水利示范精品。